[發明專利]一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統

有效

• 申請號: 202010943209.7
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112068107B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 郝群;曹杰;張佳利;劉煒劍;胡仁偉;唐鳴元
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S7/4863
• 分類號: G01S7/4863;G01S7/487
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

本發明涉及一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統，屬激光雷達技術領域。本發明針對傳統連續光相控陣激光雷達系統體積大、探測距離近及其傳統相控陣激光雷達回波探測靈敏度低等難題，提出了一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統。本發明可使N路脈沖子光束在設定方向上實現相干合成，確保N路脈沖子光束能夠在遠場實現高光強掃描，從而滿足遠距離、高精度、無慣性的目標探測需求。利用外差相干探測系統探測微弱回波時，通過增加探測器個數同時提高本振光功率即可實現微弱信號探測，因此，該接收系統具有更高的靈敏度。

技術領域

本發明涉及一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統，屬激光雷達技術領域。

背景技術

與傳統光纖相控陣連續光激光雷達相比，光纖相控陣脈沖激光雷達由于其發射光源具有單色性好、相干性好、光斑亮度高等優點，被廣泛應用在國防軍工與民用領域。但是，要兼顧高功率發射、高靈敏回波探測以及整體系統小型化，卻成為了當今光纖相控陣脈沖激光雷達應用于光電探測領域的技術難題。

高功率脈沖光纖相控陣發射系統(如專利《一種雙模控制的相控陣激光雷達系統及方法》)，采用主振蕩功率放大技術方案，可根據遠距離目標探測需求，通過增加相干合成光纖數量，從而提高光纖相控陣脈沖激光雷達發射系統的光源功率。然而，當高功率脈沖光束穿過大氣時，大氣折射率會因為大氣湍流發生隨機變化產生散斑，以至光纖相控陣脈沖激光雷達接收到的回波信號及其微弱，信噪比非常低。由此可見，即使提高光纖相控陣脈沖激光雷達發射系統的發射功率，仍然難以探測到脈沖回波信號，導致其無法滿足遠距離、無慣性、高靈敏、高精度的探測需求。

當前，被廣泛應用于光纖相控陣脈沖激光雷達目標微弱回波探測的多采用面陣蓋革模式雪崩光電二極管(Gm-APD)作為探測器，但Gm-APD的觸發受背景光影響較大，導致在白天強背景光條件下信號檢測及提取效率不高，致使重構三維點云圖像目標還原度低，圖像信噪比受限，直接影響了后續的目標提取與識別。另外，目標所處環境的強雜波也會影響回波的信噪比，甚至會淹沒目標信號。因此，無法對可疑目標進行實時高靈敏探測，從而導致光纖相控陣脈沖激光雷達的探測性能下降，使其在諸多領域的應用受到了嚴重障礙。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有光纖相控陣脈沖激光雷達無法兼顧高功率發射、高靈敏回波探測的問題，提供一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統，該系統能夠提高光纖相控陣脈沖激光雷達接收系統對微弱回波的探測靈敏度，同時解決傳統采用面陣蓋革模式雪崩光電二極管對目標微弱回波探測時受環境及背景光影響的難題，增強光纖相控陣脈沖激光雷達的綜合性能。

本發明的目的是通過下述技術方案實現。

一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統，包括本機振蕩器、光纖分束器、光纖耦合器、信號合成器、鑒相器、鎖相控制電路、電腦、光纖和探測器。

將M個探測器進行編號后按二維方形陣列排布，根據探測需求可無限量的擴展探測器的個數；當脈沖回波陣列相干探測系統啟動工作后，本機振蕩器產生與發射系統中各個子光源具有相同頻率的光波信號，由光纖分束器分成M路經過光纖相位延遲線進入對應的M個2×2光纖耦合器；由M個探測器收到的目標反射回波信號也進入與之相連的光纖耦合器，二者形成中頻信號，為后續同相M路中頻信號做準備；從光纖耦合器輸出的中頻信號分為兩部分，大部分輸入信號合成器進行疊加，小部分用于相位鑒別、調制與鎖定；通常選取第1路中頻信號的相位為基準參考，分別與其他M-1路中頻信號的相位通過鑒相器進行鑒相后輸出一組誤差信號傳給鎖相控制電路；鎖相控制電路經分析比對后，將其變換為一組電壓信號傳給電腦；利用電腦對電壓信號進一步處理計算，得出M-1路的相位補償信息，最終使M路中頻信號同相后在信號合成器中進行疊加。

采用如權利要求1所述的系統實現高功率發射、高靈敏回波探測的方法，包括如下步驟：